电动自行车用锂电池技术现状的详细分析

　　锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应。由于锂金属的化学特性非常活跃，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。而现在，锂电池已经成为了主流。

　　目前，锂离子电池应用于电动自行车产品较为普遍，并解决了电动自行车轻量化、美观化的产品需求问题，但由于其应用时间并不长，而动力锂电池技术也并未达到完善的程度，因此还存在众多问题需要解决。以下，我们就来分析目前电动自行车用锂电池在技术层面的现状。

　　一、锂离子电池发展进程

　　由于锂金属的化学特性非常活跃，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。而由于锂电池的很多优点，锂电池被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。但是，锂电池多数是二次电池，也有一次性电池。少数二次电池的寿命和安全性比较差。

　　后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。

　　回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-iond的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ionBatteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。

　　随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在近年逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池，现在锂离子电池已经成为了主流。

　　二、锂离子电池的特性

　　锂离子电池与其他类电池存在差别，有着其独有的特性。

　　（一）高能量密度

　　锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。

　　（二）高电压

　　一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值)，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。

　　（三）无污染

　　锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。

　　（四）不含金属锂

　　锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。

　　（五）循环寿命高

　　在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次，磷酸亚铁锂（以下称磷铁）则可以达到2000次。

　　（六）无记忆效应

　　记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。

　　（七）快速充电

　　使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在1.5--2.5个小时内就充满电；而新开发的磷铁锂电，已经可以在35分钟内充满电。

　　三、锂离子电池在电动自行车领域的应用

　　目前在电动自行车上应用的大功率锂离子动力电池基本上都是由多只单体电池串联、并联而成的。在其应用过程中，锂动力电池存在的问题主要是各个单体电池之间的离散性较大，从而影响到整个电池组的安全性和使用寿命。

　　因此，我们认为理想的锂动力电池组管理应该针对电池组的安全性和使用寿命。这种控制的要求是：不仅能够管理和保护电池组中的每一单体电池，而且在放电时还要使每只电池的电压保持均衡一致，如同很多杯水在同一个水平线平衡一致地往外流。在充电时要保证电池组中的所有电池在同一个电压线上均衡一致地进行充电，直至所有电池充满为止，就如很多个杯子，尽管容量不一样，但以相同的流量注水时，要保证每一只杯子溢水。

　　综上所述，电动自行车用锂电池在使用过程中，要始终保持电池不过充、不过放、不发热、寿命长，尤其是使用安全。这就要求电池组必须具有对每只单体电池充放电均衡及保护功能。

　　四、电动自行车用锂电池分类

　　电动自行车用锂电池大致可分为三大类：锰酸锂电池、三元材料电池和磷酸铁锂电池。

　　锰酸锂电池：解决锰酸锂电池的高温性能，必须对电池的正极材料、电池结构设计和电解液配方进行改良。在日本和韩国采用改性锰酸锂，改性锰酸锂电池在65℃存放一星期，容量只下降到99%。

　　三元材料电池：钴、镍、锰三元材料作为正极材料的锂电池，它克服了锰酸锂的高温性能差的缺陷，又提高了电池的比能量。

　　磷酸铁锂电池：2002年以来，美国和加拿大开始研制磷酸铁锂电池，它成为一种新的具有巨大发展前途的动力型锂电池。超长寿命，在室温下1C充放电循环达2000次。

　　磷酸铁锂电池的优势：安全性高。磷酸根化学键的结合力比较强，结构稳定性好；环保且不含有任何重金属；无毒（SGS认证通过），无污染；充电速度快，磷酸铁锂电池可大电流5～10C快速充放电；大电流放电性能好；可10～50C大电流高功率放电。

　　磷酸铁锂电池的缺点：低温性能劣于锰酸锂等其他正极材料。磷酸铁锂电池的单体电压是3.2V。36V的电池组需要12个单体电池串联。单体磷酸铁锂电池寿命目前超过2000次，但电池组的寿命可能只有500次。

　　五、电动自行车用锂电池的优缺点

　　（一）电动自行车用锂电池的优点

　　锂电池的能量比铅酸电池大一倍多，目前用铅酸电池的电动自行车充电一次可行驶50~70km，改用同重量的锂电池可行驶100~150km，它的充放电次数也高，存在的问题是：价格较高，为铅酸电池的6倍，每部车配套需1800~2000元。再则现有规格都是适用于手机、笔记本电脑的小型号，有待开发出10Ah以上的较大型号，这种蓄电池目前只能用于豪华型自行车或电动摩托车，但是它的降价潜力较大，前景很好。

　　锂电池电动自行车具有的优点是其寿命长、重量轻、体积小。有一种外形小巧的锂电池电动自行车，重量只有16公斤左右，电池只有一本书大小，才2.5公斤重，可以放在包里拎着走，还可以用来给电脑充电，而与之马力相当的铅酸电池重量则在15公斤左右。不过，这种电动车价格比较贵，要2800多元一辆。“这种车上市才一周，价格比较高，但销量比预想的好，一周时间就卖出好几辆。”绿源电动车负责人张先生介绍，这种车采用了锂电池，充电一次可跑30公里左右。捷安特、普利司通等品牌专卖店里也有锂电池电动车。“锂电池电动自行车的动力性能和铅酸电池差不多，充电6~8小时，根据电池容量不同可跑30~45公里，重量只有铅酸电池的1/5左右。”捷安特的销售人员称，锂电池电动自行车最大的优点是寿命长，一组电池可用4~5年，而铅酸电池寿命只有2年左右。

　　（二）电动自行车用锂电池的缺点

　　锂电池存在的缺点是价格偏高、市场份额仅4%。目前锂电池电动自行车的价格普遍比铅酸电池电动车高出几百元到一千元，因此销量不大。“两者相差800多元，如果只差两三百元我可能会考虑下。”正在选购电动自行车的张女士最后还是买了传统的铅酸电池电动车。

　　六、电动自行车用锂电池存在的问题及解决方案

　　锂电池应用于电动自行车产品时间并不长，其技术也并未达到很高的水平，因此，还存在着多方面的技术问题，一定程度上制约着电动自行车锂电池行业的发展。

　　当前，电动自行车用锂离子电池需要解决的问题主要是使用过程中的安全问题，怎样解决安全问题成为今后电动自行车用锂电池发展的一个趋势，在这里我们简单介绍一下如何解决这一问题。

　　（一）过充

　　正常锂电应充电最高4.2伏，铁锂电池在此基础上减0.5伏做上下限，充电高于4.3伏为过充。解决这一问题，需要精确测量电压真值：采用科学的充电方式，充满而不过充；合理的设置单节过充保护电压点：如：4.2V±0.05V，确保不会过充而爆炸。

　　（二）过放

　　锂电池放电最低3.2伏，放电低于3伏为过放，精确测量电量真值：采用科学、安全的放电方式，放完而不过放；合理的设置单节过放保护电压点：如：3.20V±0.05V，确保不会过放而爆炸。

　　（三）电池温度检测

　　锂电池温度过高将会产生爆炸的可能，因此，需要监控每节电池的温度，确保不会因为电池温度过高而产生爆炸。

　　（四）过流保护

　　锂电池有个额定电流，不允许超过额定电流，否则会烧坏电池。因此，需要精准测控充放电电流，并高效快速地采取过流保护措施，当电流超过设定电流时候，避免短路、反接等事故发生。

　　（五）均衡

　　锂离子电池单体电压存在着偏差，若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。

　　锂例子电池被广泛应用储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、特种装备、特种航天等多个领域。

　　锂电池在电动自行车领域的应用，虽然还未达到较成熟的程度，但目前良好的发展前景，以及锂电池在电动自行车产品上所表现出来的优良特性，使锂电自行车得到较为快速的发展。

　　此外，目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、特种航天和储能方面得到应用。

　　随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电现在被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业技术的进步与突破。